基于大数据云平台的智慧城市建设的研究

王兆庆+贺勇

摘 要：智慧城市以新兴信息技术为基础，结合人工智能和人的智慧，整合城市核心资源，实现城市运行优化配置和智慧发展。文中阐明了智慧城市的信息体系架构，论述了智慧城市的关键技术，分析了大数据在智慧城市建设中的应用，探讨了构建 “智慧海南”的智慧城市系统方案。

关键词：智慧城市；大数据；物联网；云计算

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-04

0 引 言

智慧城市是指在新一代信息通信技术与城市管理相结合的基础上，通过创新城市经济、社会、生态系统，建立人类宜居的社会可持续发展的新型城市系统。大数据、云计算、物联网、移动通讯和互联网支撑起智慧城市的技术基础，通过智慧管理、智慧生态、智慧生活和智慧创新使人们感受到城市让生活更美好。

1 智慧城市的信息体系架构

大数据背景下智慧城市建设需要依靠信息通信和网络技术的支撑。智慧城市本质上是大数据环境下的城市信息系统，可实现系统数据采集、传输存储、数据挖掘、保密安全、分析应用、资源共享等功能。

1.1 智慧城市的技术架构

智慧城市主要是由数据、网络、存储、挖掘、云计算和移动通信等组成的技术融合应用。有专家提出“智慧城市=数字城市+物联网+云计算”[1]，大数据是一个城市的动态资源，它反映了城市各类信息的来源，隐藏着事物的规律和本质特性。通过技术处理，把看似局限、片面、碎乱、繁杂和海量的数据加以汇集、抓取、挖掘和分析，从中获取有价值的信息资源，为城市发展和社会服务提供智慧依据。物联网通过光电技术把可视设备嵌入到城市特定位置，实现物与物相联，将整个城市的景观数据变为一个可视听的信息平台，为城市经济、社会、自然、文化等发展提供实时、前沿的情报资源。然而，若想将物联网产生的海量数据形成有用的信息，则需要通过云计算平台进行压缩、传输、存储和编辑处理，形成系列分类数据，在城市建设中充分运用这些资源规划城市发展，形成一个数据分析、资源配置、自然协调的城市系统。

由此可见，在智慧城市建设中大数据是基础架构系统，物联网是神经网络系统，云计算是大脑指挥系统，只有将它们有效组合才能形成智慧城市大系统。

1.2 智慧城市信息系统架构

城市信息数据系统构成了智慧城市大数据的组成层次和内容，记载了智慧城市的形成、运作、发展和结构，它的设计视野决定了城市数据化的范围和未来发展趋势。智慧城市信息系统架构如图1所示。

（1）城市规划发展管理系统的主要信息对象为城市规划理念、物理设施布局、城市资源分配和人口统筹安排等数据；

（2）城市基础设施数据系统的主要信息对象为土地统筹安排、城市建筑规划、道路交通布局、消防安全设置、港口机场建设等数据；

（3）生态环境信息系统的主要信息对象为城市生态布局、环境景观设置、城市污染防控、自然资源的可持续性等数据；

（4）社会经济数据系统的主要信息对象为商业贸易、社会结构、居民生活指数、经济资源分配、社会公平等数据；

（5）城市评价数据系统的主要信息对象为城市的创新竞争能力、智慧城市建设的市民参与度、城市智慧功能的考核体系、政务管理评价体系、宜居城市评价体系、城市文化等数据[2]。

智慧城市信息系统是大数据诸多领域的一部分，提供了城市完整全面的网状采集点，同时与物联网、互联网、移动无线网、地理信息网等实现了互联互通，可共同收集城市数据。同时，它们也构成了城市的神经网络，为智慧城市建设提供了基础要素。

2 智慧城市的关键技术

在完成通信网络基础设施和数字化建设后，国内外许多城市都在大力应用新一代信息技术，推动城市向更高层次的智慧城市发展。支撑智慧城市的关键在于云计算技术、大数据技术和物联网技术[3]。

2.1 云計算技术

云计算平台是智慧城市的中枢系统，通过物联网采集海量数据后，需要一个强有力的存储和计算平台来满足其应用需求。云计算平台通过虚拟化技术调配和处理城市数据资源，实现了海量存储和资源共享，使得服务更加便利快捷。云计算平台可同时提供SaaS、PaaS和IaaS三大服务。

2.1.1 存储技术

传统存储采用集中存储服务器存放数据，但这种存储服务器群无法提供共享空间。与传统的网络数据存储不同，云计算运用了分布式数据存储技术，可将不同类型的异构存储服务器组合成可扩展的系统，合理调配存储设备，分散存储、并行处理和快速响应，共享存储资源。目前，在云计算领域，Google的GFS和Hadoop的 HDFS等是较为流行的两种云计算分布式存储系统，它们都具有高传输率和高吞吐等特征。

2.1.2 虚拟技术

虚拟技术打破了计算机应用硬件间的物理层，实现了物理资源的集中管理和弹性调配，使系统满足了资源虚拟化、网络基础设施虚拟化、平台虚拟化和应用程序虚拟化的需求。云计算运用虚拟技术，整合了大量分散和没有充分利用的计算能力，可动态分配计算资源，统一管理，大大提高了资源利用率。云计算虚拟化技术的应用不仅在于提高资源效率和降低成本，更重要的是使系统的传输、存储、运算等计算要素更加高效，为云计算系统提供强大的计算效能。当前无损以太网技术标准有IEEE 802.1Qau、IEEE 802.1Qbb、IEEE 802.1Qaz、IEEE 802.1AB等。

2.1.3 网络技术

云计算对网络的发展起到了很大的推动作用。传统网络主要是从用户到服务器再到用户的互动模式，而在云计算平台下的网络通过新技术开发和标准化，在充分提高网络硬、软件综合能力的同时，实现了网络的动态扩展、资源调配、全球互访、信息互动的超强计算能力。然而随着用户的剧增、信息超强膨胀和大量应用技术投入，网络环境变得复杂多样，同时也暴露出诸多弊病，因而网络运行需要更强的技术给予支撑。软件定义网络SDN技术是一种新型网络虚拟化创新架构，其核心在于将底层网络分成控制层与实体数据转发层，实现控制平面和数据平面的分离。SDN将网络设备的控制权分离后，底层网络设备（交换机、路由器、防火墙等） 由基于软件的控制器集中管理，屏蔽了底层网络设备的差异，使得网络流量的控制更灵活，网络作为管道更智能。SDN技术的特点是控制面可编程，它具备控制层面的抽象功力，允许应用服务实时进入抽象数据流的控制层，可实现自动实例化编程和数据面控制。软件定义网络技术可为云基础设施的个人资源访问提供保护，是高性能的具有极大灵活性的接口技术，支持虚拟机移动性和云集中性，在云计算平台中能提供强大的网络技术支撑。endprint

2.2 大数据技术

通过城市神经网络可收集到大量数据，这些信息经由采集、存储和挖掘等技术处理后，通过挖掘、分析和归类，从中找出宝贵资源，并依据这些资源在城市建设中做出智慧决策。

2.2.1 数据挖掘技术

城市建设将从物联网等电子通信网络中汇集巨大的信息数据到云计算管理平台上，这些数据具有时效性，且具有常规软件无法快速获取隐藏其中的有价值信息的特性，数据挖掘将通过技术手段将这些数据转换成建设智慧城市迫切需要的有用信息和知识[4]。数据挖掘运用分布式技术、海量数据处理技术、人工智能、模式识别等计算机科学，并通过情报检索、进化计算、在线分析处理、可视化和搜索算法等诸多方法来实现对数据的智能处理应用。数据挖掘的对象广泛，包括数据仓库、空间数据库、异质数据库、关系数据库、多媒体数据库、移动通信网、物联网和互联网等。

2.2.2 数据融合技术

数据融合技术既是智慧城市建设也是计算机领域的关键技术，它运用红外传感、射频采集、计算科学、人工智能、合成传输等技术对获取的原始数据进行特征提取，利用融合算法对空间数据或影像数据进行对比判断，然后与特征信息一起进行综合分析处理，最终准确及时地获取有用信息。在城市建设中，大多数物联网系统都由传感器节点构成，用于完成目标监控、信息收集和感知城市的任务。在信息采集过程中，采用单个节点独立传输信息到汇聚点的方式显然不合适，会造成大量网络冗余数据，浪费带宽资源，导致网络信息收集率低、实效性差。为此人们运用数据融合技术进行对比判断，提取准确数据，不仅能够解决网络数据传输量问题，同时也能节省节点能量，延长传感器使用周期。另外，在智慧城市管理中，利用数据融合对各类传感器或信息源传送的按时间序列捕获的观察数据进行综合分析，获取某特定目标对象的共识描述，匹配使用，使得系统分析结果优于单体部分提供的数据信息，管理者能及时获取准确的决策信息和评估数据，在城市建设中解决交通管理、道路探测、车辆定位、目标跟踪、号牌识别等现代城市难题。目前常用的数据融合算法有TAG算法、PAGASIS算法和LEACH算法等。

2.3 物联网技术

物联技术把大量的网络传感器嵌入到城市各个系统以获取信息数据，利用移动通信实现物与物的连接。物联网是支撑智慧城市的核心基础。

2.3.1 网络感知技术

感知技术是构建物联网的关键技术，在物联网系统中，通过传感器、信息处理技术和网络传输，在计算机平台完成对所有数据的挖掘利用。传感器可称为城市“五官”感知器，它们利用敏感元件、检测器件和转换组件等全面获取城市信息数据，并转换为数字电信号后输出。传感系统包含二维码识读器、摄像器、射频识别、GPS等组件。信息处理拥有数据搜索、信号预处理、态势分析、数据聚合和信息反馈等功能，同时，可对获取的电信号进行适度放大和调制，提高电信号的抗干扰能力。网络由各类传感器节点联接构成，而每个节点的传感器通过微处理器、传感组件和通信器件进行网络通信[5]。无线传感器正以惊人的速度发展，目前已成为应用最广泛的传感器网络。

2.3.2 移动通信技术

移动通信具有随时随地、大容量、宽带接入和安全高速的优质通信功能。移动通信系统采用数字蜂窝移动技术（GSM），其特点是语言信号数字化、采用GMSK或QPSK调制方式、系统容量大、频谱利用率高等，能实现高效的安全保密通信。目前较成熟的第四代移动通信技术（4G）已广泛运用于物联网系统，4G能够实现宽带IP系统接入、无线平台移动服务、不同带宽网络服务、定位定时数据采集、卫星通信和远程控制等功能，可提供100 Mb/s数据速率，采用CDMA技术和SDMA技术，支持移动多媒体业务，为全球移动用户提供多媒体150 Mb/s的高质量影像服务[6]。新一代移动通信 （5G）核心技术已研发成功，5G网速更高，将比4G提高约10倍。在移动云计算中，移动网络以按需和易扩展的方式提供服务，包括平台软件、存储资源、计算能力、应用资源和基础设施等服务资源[7]。在新一代移动通信技术中，SaaS软件即服务，用户只需通过网络请求就能获取自己所需要的功能软件；PaaS 平台即服务，把开发平台作为服务，为用户提供应用程序创建、测试和部署等服务；IaaS基础设备转化为服务，用户通过租赁方式享受基础服务和应用平台。预计将于2020年推出5G商用网络。

3 大数据在智慧城市建设中的应用

海南省政府非常注重“智慧海南”城市建设。为推进海南大数据智慧应用体系规划建设，通过了《海南省促进大数据发展实施方案》，预计到2020年全省将建成大数据智慧化城市体系，构建全省大数据“一盘棋”和“多网合一”的布局，形成大数据公共服务体系。

在云计算技术平台建设方面，海南依托大数据平台，携手阿里巴巴、印度NIIT集团、腾讯、中国电子科技集团等大企业发展智慧信息产业，建立了独特的信息产业园区，形成了海口美安科技新城与琼北海南生态软件园、陵水清水湾国际信息产业园与琼南三亚创意产业园的南北相互呼应的信息产业布局。“智慧海南” 云计算技术架构如图2所示。阿里巴巴集团利用云计算核心技术在海口市建立了高新标准的“南海云”和大数据服务器平台，运用云计算及大数据前沿技术在海南开展互联网创新产业园和互联网公共服务建设，拓展互联网农产品和信用体系建设的合作。腾讯公司与海南共建互联网产业的创新孵化基地，将在“智慧海南”建设、云计算、“互联网+”、 互动娱乐产业、创新创业等领域给予技术平台支持和合作。华为在海南建设（华为）云计算数据中心，在省内提供云计算IaaS层消费服务和建设软件开发云平台。同时，在建设物联网方面，打造物联网產业基地和物联网应用研发创新云平台。万宁市是海南唯一入选的2013年国家首批智慧城市，经多年建设，推出了兴隆、神州半岛、日月湾、石梅湾、奥特莱斯（万宁芭蕾雨）、山钦湾万城+滨海新区等七大智慧城市建设示范区，通过云计算技术平台整合资源，成为“智慧海南”的亮点。endprint

在大数据建设方面，运用大数据提升政府治理能力已产生了很好的社会效益。为建设“智慧海南”，2016年政府通过《海南省促进大数据发展实施方案》，提出了“多规合一”的信息整合共享模式，数据资源的采集利用与保密存储形成规范化标准，整合全省的海洋、土地、城市、林地、生态、“五网”（光网、电网、路网、水网、气网）等数据资源，形成数据管理信息系统。依据“智慧海南”的特点，海南大数据需要完善城市公共基础数据库、海南省旅游数据资源、离岛免税网络购物数据库、热带农业大数据资源、海南黎族文化特色数据库、海南海洋数据库和海南基础地理信息数据库等特色资源建设。2017年5月由省发改委和国家信息中心联合发布的《海南省参与“一带一路”建设进展及国内外群众互联网关注情况大数据报告》进一步显现了海南大数据建设的成就。

在物联网建设方面，早在2010年，海南省国际旅游岛建设就已上升为国家战略，省政府提出了物联网助力国际旅游岛建设战略布局，联手北京邮电大学和南京邮电大学等科研院所开展物联网应用展示项目的研究工作。 2017年，海南物联网覆盖全省城乡，携同华为、天翼、中兴等电信网络巨头，共同推出了新一代物联网商用模式。目前，海南实现了全省光网的目标，提供工业物联、公共事业、智慧医疗、智慧农业、智能家居、零售服务、车船物联、智能物流、能源管理等九大物联网服务，大力推动智慧海南的建设发展。

在网络架构建设方面，2014年海南实现了“三纵两横” 骨干网络全覆盖，基本完成了与智慧城市相关的重点项目，如城市公共信息云计算中心、智慧城市网络基础设施项目、数字海南信息亭项目、公共免费WiFi和城市公共基础数据库项目等基础工程。2016年在全岛光网的基础上实现了4G和重点公共场所WiFi全覆盖。2017年则完成了全省光网覆盖和城镇100 M宽带接入服务等项目。另外，海南电信建设完成了“光网智能岛”工程，全省18个市县光纤网络全覆盖，三大基础电信运营企业在基本完成“三网”融合试点工作的基础上实现了网络访问的互联互通。海南在城市建设中已完成了与智慧城市建设密切相关的基础网络信息化工程建设。

4 结 语

智慧城市是随着网络社会的到来而发展起来的城市信息化的高级阶段。智慧城市运用了新一代信息技术，构建了广泛的资源整合、深透的感知、全面的互联互通，实现了资源优化配置和城市系统的优化运行。未来，智慧城市会让生活更美好。

参考资料

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[2]吴天京，陈永华.基于组织结构的智慧城市分布式云架构研究[J].软件， 2016 ， 37（2）：170-173.

[3]谭庆浩，王德民.云计算时代下的智慧城市发展探究[J].無线互联科技， 2016（10）：111-112.

[4]姜军，苏艳飞.我国智慧城市发展现状与问题研究[J].北京建筑大学学报，2016，32（3）：144-149.

[5]郦月飞.智慧城市建设的关键技术研究[J].企业技术开发，2013 ，32（1）： 82-83.

[6]杜锦辉，论第四代移动通信（4G）关键技术[J].信息通信， 2013（6）：238-239.

[7]刘统.刍议第五代移动通信系统的5G标准化关键技术[J].中国新通信， 2017，19（9）：1.

[8] 翟鸿雁.基于物联网关键技术的智慧城市研究[J].物联网技术，2015，5（5）：84-86.endprint